[发明专利]高散热率箔片式径向轴承、组合轴承及轴承热管理方法

说明书

本发明所述的高散热率箔片式径向轴承、组合轴承及轴承热管理方法，在对应所述波纹状弹性箔片的波纹内凸部，所述轴承外壳内表面设有冷却气槽，所述波纹弹性膜片的波纹内凸部均平行于所述轴承外壳的轴向设置，开冷却气槽的数量和位置与波纹状弹性箔片的波纹内凸部的设计和位置相对应，既不影响空气箔片式轴承之波纹状弹性箔片的支撑，增加的轴向冷却气槽又可以扩充冷却气流通道面积，增加冷却气体流量，使得气体的克努曾数上升、粘度系数降低，减少流阻，有利于气体的流动的同时有效增加热交换速率。

技术领域

本发明涉及空气箔片式轴承的热管理技术领域，特别是一种高散热率箔片式径向轴承、组合轴承及轴承热管理方法。

背景技术

燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。其中，氢和氧化学反应后的产物主要是水和热。因而，燃料电池因其清洁特性被认为是一种极有可能取代普通燃油而成为未来汽车动力的主要来源。目前对汽车动力用燃料电池的研究和应用主要集中在质子交换膜燃料电池(PEMFC)。燃料电池的核心技术中，电堆可以比拟为燃料电池的“心脏”，是产生电能的核心，空压机可以称之为燃料电池的“肺”，为心脏提供适合的氧气。空压机必须满足无油、小型化、低成本、低噪音和耗功少的要求。因而空压机的轴承一般采用箔片式空气轴承。

箔片式空气动力轴承是流体动力轴承，如图1所示为箔片式空气动力轴承的径向止推轴承示意图，包括轴承外壳401、顶部光滑箔片403和波纹状弹性箔片402。顶部光滑箔片403是一种带耐磨涂层的柔性薄金属膜，通过波纹状弹性箔片402支撑在轴承外壳401内部。由于波纹状弹性箔片402的每个凹凸结构都能起到结构弹簧的作用，使顶部光滑箔片403能够快速响应转轴的静态和/或动态载荷。箔片式空气动力轴承通过转轴4转动时产生的自然抽吸作用，将空气拖入转轴404与顶部光滑箔片403的间隙中，如图2所示，形成一层很薄的楔形空气压力气膜405，进而起到空气润滑的作用。由于空气性能稳定而不会产生流体降解的威胁，使用空气作为润滑剂，箔片式空气动力轴承可以在极端温度环境中支撑高速转子。

箔片式空气动力轴承中的热分布是由内部和外部因素共同作用引起的。箔片式空气动力轴承内部温度的升高主要转轴4旋转时气膜内部摩擦产生的气动热量，空气的热容量低，对于无冷却设计的箔片式空气动力轴承，其独特的结构，即波纹状弹性箔片402的支撑点与顶部光滑箔片403和轴承外壳401是线接触的，如图1和2所示，波纹状弹性箔片402的凹凸结构将顶部光滑箔片403与轴承外壳401通过线接触隔离开，限制了热量的向外(外壳方向)传导，进而气膜将热量迅速传递给较薄的顶部光滑箔片403，使大部分热量流入转轴404中，如图3所示，大约80％的热量由转轴404和轴承通过热传导吸收，仅有大约20％的热量通过侧漏对流散热到周围的空气中。故而，箔片式空气动力轴承中产生的大量热量很难快速传导出去。

如果空压机局部温度持续升高，箔片式空气动力轴承性能可能会受到多种影响：

(1)会造成波纹状弹性箔片402材料的过热：波纹状弹性箔片402通常由镍基超合金Inconel制成，随着温度的升高，它的弹性模量会下降，产生软化效果，这种软化效果提高了箔片式空气动力轴承的柔顺性，从而降低了箔片式空气动力的最大负载能力；此外，研究表明，箔片式空气动力轴承的刚度(以及可能的阻尼)特性也会因此发生变化，这将会对系统的转子动力学性能产生极大影响。

(2)会严重影响顶部光滑箔片403涂层性能；为了降低成本燃料电池空压机成本，其箔片式空气动力轴承一般都使用工艺简单的低温涂层，该低温涂层的工作温度一般要求在200℃以下，过高温度会使涂层性能下降，甚至脱落。

(3)箔片式空气动力轴承还可能产生自持循环(即热失控)现像，进而导致严重故障；由于转轴404在轴承运行过程中吸收了大部分热量，因此转轴的膨胀速度比轴承快，从而增加了轴承的预紧力，随着轴承预紧力的持续增加，就像在转轴4和轴承间持续增加了额外的径向载荷一样，这会放大流体膜上的应力，并导致额外的热量产生和转轴的进一步膨胀，从而导致自持循环(即热失控)现像的出现。